特高壓直流輸電換流變壓器保護(hù)及充電試驗(yàn)的探討

袁凱琪

【摘 ?要】近些年來，我國電力系統(tǒng)得到較大的發(fā)展，并且電力資源的分布不能使電力的需求得到較好的滿足，超高壓電網(wǎng)逐漸呈現(xiàn)其局限性。因此，特高壓電網(wǎng)的發(fā)展成為電網(wǎng)發(fā)展的大勢(shì)所趨，其中特高壓直流輸電術(shù)能夠使區(qū)域電能分布不均、輸送不便的問題得到有效的解決。本文首先簡單介紹特高壓直流輸電換流變壓器的保護(hù)工作，提出系統(tǒng)變壓器保護(hù)的一些設(shè)計(jì)及措施，并且也提出充電試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試的設(shè)計(jì)，以供參考。

【關(guān)鍵詞】特高壓直流輸電;變壓器;充電試驗(yàn)

1 引言

換流變壓器對(duì)直流輸電而言十分重要，能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性起到一定的保護(hù)作用，因此需要對(duì)其給予足夠的重視。在換流站建設(shè)過程中，變壓器的投資占據(jù)較大的比例。然而，存在較多因素會(huì)對(duì)變壓器產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致變壓器運(yùn)行安全遭受威脅。所以，在直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行中，必須重視變壓器運(yùn)行安全的保護(hù)。

2 換流變壓器的基本特點(diǎn)

（1）存在直流偏磁問題：直流偏磁不僅導(dǎo)致鐵心周期性的飽和，并發(fā)出低頻噪聲，而且也將使得變壓器的損耗和溫升大幅增加。

（2）需要更高的絕緣裕度：換流變壓器在運(yùn)行中既要承受交流電應(yīng)力作用，又要承受較大分量的直流電應(yīng)力作用，要求變壓器絕緣尤其是閥側(cè)絕緣對(duì)運(yùn)行中的工作場強(qiáng)有足夠的耐受裕度，其絕緣問題非常突出。換流變壓器閥側(cè)除應(yīng)承受一般交流電壓外，還要承受疊加的直流電壓，在系統(tǒng)輸送能量反向時(shí)，還有閥側(cè)繞組的直流極性反轉(zhuǎn)以及沖擊試驗(yàn)電壓等。換流變壓器在運(yùn)行中的絕緣事故在全部事故所占比例為50%左右。

（3）諧波問題：換流變壓器在運(yùn)行中會(huì)流過特征諧波和非特征諧波電流。這些諧波作用于變壓器漏磁使得變壓器雜散損耗增大，有時(shí)還會(huì)使一些金屬部件和油箱產(chǎn)生局部過熱。數(shù)值較大的諧波磁通會(huì)引起磁滯伸縮噪音，且處于聲覺敏感頻段，必須采取有效的隔音手段。

3 特高壓直流輸電換流變壓器保護(hù)分析

（一）換流變壓器保護(hù)的配置原則

（1）可靠性：保護(hù)裝置完全冗余或三取二配置，每套冗余配置的保護(hù)完全一樣，有自己獨(dú)立的硬件設(shè)施。（2）靈敏性：保護(hù)的配置應(yīng)該能夠檢測(cè)到所有可能的、致使換流變壓器及相關(guān)設(shè)備處于危險(xiǎn)情況的的故障和異常運(yùn)行情況，因此換流變壓器保護(hù)應(yīng)采用分區(qū)重疊且無保護(hù)死區(qū)。（3）選擇性：保護(hù)裝置應(yīng)能在對(duì)系統(tǒng)影響可能最小的處所，實(shí)現(xiàn)斷路器的控制操作，以終止換流變壓器故障或系統(tǒng)事故的發(fā)展。（4）快速性：應(yīng)當(dāng)能夠充分利用直流輸電控制系統(tǒng)，以盡可能快的速度隔離故障系統(tǒng)，保障系統(tǒng)和設(shè)備的安全。（5）安全性：保護(hù)應(yīng)既不能拒動(dòng)，也不能誤動(dòng)。

（二）差動(dòng)保護(hù)

換流變壓器差動(dòng)保護(hù)和交流系統(tǒng)變壓器差動(dòng)保護(hù)原理基本相同，都是反應(yīng)的工頻分量，也都是建立在變壓器功率平衡的原理之上。但是換流變壓器中正常情況下就流過較大的諧波電流，這些諧波電流對(duì)勵(lì)磁涌流判據(jù)和TA飽和判據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大的影響;同時(shí)由于換流變壓器的短路阻抗較大，內(nèi)部故障情況下差電流較小，在設(shè)計(jì)保護(hù)方案和整定定值時(shí)都要充分考慮到換流變壓器的這些特點(diǎn)為了提高交流繞組靠近中性點(diǎn)處發(fā)生接地故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)的靈敏度，可以配置交流繞組的零序差動(dòng)保護(hù)（包括繞組差動(dòng)保護(hù)）。由于該差動(dòng)保護(hù)與變壓器的磁平衡沒有直接關(guān)系，可以不受勵(lì)磁涌流判據(jù)的閉鎖，因此大大提高了變壓器差動(dòng)保護(hù)的靈敏度和動(dòng)作速度。此外，由于閥側(cè)單相接地故障情況下是不接地系統(tǒng)的兩相故障和直流短路的反復(fù)切換，導(dǎo)致差電流中含有大量的諧波含量和直流電流（直流電流不能被保護(hù)反應(yīng)）;同時(shí)，差電流出現(xiàn)間斷，極端情況下可能導(dǎo)致該相電流基本消失（直流系統(tǒng)換相失?。?，導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)有可能在此情況下不能出口，此情況下如果條件允許，可增設(shè)閥側(cè)繞組差動(dòng)保護(hù)，以提高這種故障下差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。

（三）后備保護(hù)

后備保護(hù)主要包括過流、零序過流、零序過壓、過電壓、飽和保護(hù)等。

（1）過流保護(hù)主要作為換流變壓器各種故障的后備保護(hù)。由于只需與直流系統(tǒng)的最大過負(fù)荷能力配合，靈敏度容易滿足要求，因此不需采用復(fù)合電壓閉鎖與方向閉鎖。

（2）零序過流保護(hù)主要作為換流變壓器接地故障后備保護(hù)。為防止變壓器和應(yīng)涌流對(duì)零序過流保護(hù)的影響，應(yīng)具有二次諧波制動(dòng)閉鎖措施。當(dāng)二次諧波含量超過一定比例時(shí)，閉鎖零序過流保護(hù)。

（3）零序過壓保護(hù)為針對(duì)在閥未解鎖前，當(dāng)閥側(cè)交流連線存在接地故障的保護(hù)。因?yàn)閾Q流變壓器副邊不接地運(yùn)行，保護(hù)主要在閥解鎖前檢測(cè)閥側(cè)交流連線的零序電壓來判斷是否有接地故障。閥解鎖后保護(hù)要被閉鎖，因?yàn)殚y解鎖后會(huì)測(cè)得零序電壓，但是該零序電壓不是接地故障造成的。

（4）飽和保護(hù)為針對(duì)直流系統(tǒng)在使用大地回線的情況下，在一些運(yùn)行工況下會(huì)有直流電流流人大地，如雙極不平衡運(yùn)行、單極大地回線方式等，使地電位發(fā)生變化，造成直流電流流入變壓器原邊繞組，使換流變壓器發(fā)生直流偏磁，工作點(diǎn)偏移。如果此直流電流過大，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變壓器鐵心飽和，同時(shí)，損耗和溫升也將增加。因此，要配置飽和保護(hù)防止這種情況下對(duì)換流變壓器造成的損壞。由于TA無法傳變直流電流，因此只能間接測(cè)量直流電流的大小。測(cè)量的基本原理如下：直流引起的鐵心飽和造成原邊繞組零序電流中含有3次諧波，通過檢測(cè)零序電流中3次諧波峰值，可以等效出流過換流變壓器的直流電流。

4 換流變壓器的充電試驗(yàn)

總共進(jìn)行三次充電試驗(yàn)，后兩次通過開路試驗(yàn)進(jìn)行。（1）通過手動(dòng)來控制換流變壓器分接開關(guān)，把換流變壓器二次側(cè)電壓設(shè)置為最低;（2）閉合斷路器，首次給極I 低端換流變壓器充電;（3）再次手動(dòng)控制換流變壓器分接開關(guān)，設(shè)置為空載檔位;（4）將換流變壓器分接開關(guān)控制的手動(dòng)換成自動(dòng);（5）換流變壓器首次充電后，使其運(yùn)行1h;（6）在換流變壓器帶電運(yùn)行過程中，檢查并記錄數(shù)據(jù);（7）切斷斷路器，停止給換流變壓器充電;（8）過5min，再次閉合斷路器，再次給換流變壓器充電;完成換流變壓器充電后，繼續(xù)使之運(yùn)行15min;與此同時(shí)，對(duì)換流變壓器、交流母線和閥廳進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否會(huì)出現(xiàn)電暈放電等其它事故出現(xiàn)，并給與記錄;（9）斷開斷路器，換流變壓器再次斷電;（10）過5min，閉合斷路器，第三次給換流變壓器充電;同上步驟，充電之后繼續(xù)保持運(yùn)行15min;重復(fù)步驟（9）;（11）斷開斷路器，換流變壓器最后一次斷電;最后將斷路器轉(zhuǎn)冷備用，結(jié)束極I 低端換流變壓器帶換流器投切及帶電試驗(yàn)。

5 結(jié)語

綜上所述，特高壓直流輸電技術(shù)以其特有的特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)將在我國未來的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展等方面擔(dān)負(fù)起重要作用。從我國實(shí)際情況來看，發(fā)展特高壓直流輸電工程，是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，貫徹國家能源政策，確保電力工業(yè)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重大舉措，有利于實(shí)現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置，滿足未來我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的用電需求，具有重大的政治意義、經(jīng)濟(jì)意義和技術(shù)創(chuàng)新意義。

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（作者單位：國網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司）